单轴式声悬浮的实验研究及数值模拟分析

采用自行研制的单轴式声悬浮装置,实现了密度为7.9g/cm3的钢球的稳定悬浮.采用有限元方法对两种不同形状谐振腔的声场进行了数值计算和模拟,结果表明采用凹球面形反射面能有效提高悬浮性能;同时解释了实验过程中小球沿凹球面壁运动的现象,对进一步研究声悬浮装置结构对悬浮性能的影响有一定的借鉴意义.     

单轴式声悬浮的物理特性

采用边界元方法对单轴式声悬浮过程中的人射声场计算,揭示了样品在声悬浮过程中的受力特性,结果表明,提高声源强度,降低重力水平或者采用密度大声速小的气体介质有利于提高声悬浮能力,另外,采用适当曲率半径和较大截面半径的凹球面反射端能够提高模式4下靠近反射面的一个悬浮位置的悬浮性能。     

接收换能器非线性理论研究

一、接收换能器非 线性理论研究 在一般的声学问题中,人们总是将换能器视为线性器件。即作用于换能器表面的声压和换能器两端的开路电压呈线性关系。但是在非线性声学中、由于参量阵的工作频率向低频方向的发展以及参量阵近场应用研究的展开,换能器的非线性效应也就比较明显了,它直接影响和干扰了实验测量结果。例如,在参量发射阵的近场实验中,由于水听器距发射换能器较近,因此,此时原频衰减很小,作用于水听器的原频声波很强,而参量发射阵作为一种“虚端射阵”当阵长较短时,水介质非线性形成的差频信号未能经过足够的累加,因为差频信号很弱,…     

指数型旋转辐射体近场声悬浮系统的声场分析

0引言如何产生足够大的悬浮力是近场声悬浮一个关键问题。本文受到聚焦超声悬浮的启示[1、2],将近场声悬浮系统中的圆盘辐射体用指数型旋转辐射体取代,并建立了其有限元二维模型[3],对其进行了理论分析和计算,并对圆盘及指数型旋转辐射体的辐射声压做了一番比较,发现了当使用后者时,声悬浮的悬浮力有一定的提高。     

功率超声聚焦波束发生器

本文介绍的功率超声聚焦波束发生器是采用六个面积相等的同心圆环形平面换能器作为声发射基阵。当改变对每个圆环的电激励信号从外向内递增的时延，就能实现改变等效球面换能器的曲率半径，从而达到可变聚焦焦距的目的。本系统经聚焦后在声焦点处的声束宽度（按－６分贝计）与平面换能器的声束宽度相比，声束缩小了大约５倍。本装置在水槽里工作时，可明显看到在声焦点附近由于空化所引起的气泡群。根据气泡群的分布可以直接观察到聚焦波束的大致形状。 本文还在理论上导出了由六个圆环构成的等效球面换能器在空间任意点Ｑ的声压表示式，由此可以计算出超声聚焦声场的形状，为确定时延系统的设计参数提供了依据。     

发射换能器带障板特性分析

对发射换能器带障板的声场特性进行了分析,对两种类型的发射换能器带障板的增益进行了计算,并实际加以测试。障板增益在换能器工作频段内存在一个凹点(即较大负增益),随着安装距离的增大,凹点对应的频率逐渐下移,换能器在凹点频率的指向性得到展宽。适当的应用反声障板,可以起到改善发射换能器的指向性,调节发送电压响应等作用。     

高强度聚焦超声换能器的新型设计

采用高强度聚焦超声（HIFU）治疗局部肿瘤，如何增强对病变区域的辐照效果，而尽量减少对健康区域的辐照损伤是一个很重要的问题。文章基于目前常用的凹球面自聚焦换能器，提出了解决上述问题的方案，设计了新型的换能器，对其工作方式及声场特性进行了研究。结果表明：采用多换能器轮流发射的方式进行治疗是一种行之有效的解决方案。     

超声治疗中耦合液对声聚焦影响的研究

本文推导了凹球面聚焦换能器产生的声波经耦合液进入软组织后的声场计算公式，并对不同耦合液，耦合层厚度，温度对声聚焦的影响进行了研究，得到一一些对超声热疗具有指导意义的结果。     

水中目标强度的一致性时域有限差分计算

本文应用一致性时域有限差分法（FDTD）和近场-远场变换计算散射声目标的反射声压强度，找出反射声压级与目标声中心到换能器间距离的关系。数值计算中考虑了自由场和有海面及海面波浪影响时的不同情况。根据声源和目标的几何特征对入射波和散射波分别作了球面和柱面扩散修正，并将计算结果与水池实验结果进行了比较。本文的讨论可对水下目标强度测量方法提供参考。     

激光微型靶丸位置检测中的图像分析与精度测试

在高功率激光实验装置中,为了实现多路激光精确瞄准到实验靶上,需对实验靶进行高精度定位。根据检测装置需要,建立了一套基于视觉系统的实验靶位置测量模拟系统,从而实现高精度靶瞄准与靶定位检测。本文从利用改进的均值漂移(MeanShift)算法对靶丸图像进行预处理出发,分析光照变化对靶丸中心点检测的影响,并通过相关系数模板匹配方法对靶丸端面中心进行计算分析,利用图像聚焦度分析离焦量对靶丸中心位置检测的影响。实验结果表明,图像检测系统分辨率为0.4μm,最小位移测量精度为1.2μm;当靶面图像离焦量在-10～30μm范围内时,靶丸中心位置的漂移量小于1μm,能够满足靶丸位置检测误差不大于8μm的要求。     

ICF靶准直器位姿并联调整机构静力分析

惯性约束核聚变是一种人工可控的核聚变方法,其研究是当代自然科学研究的一个重大前沿课题,也是解决人类能源危机的重要途径。ICF靶准直器将实验靶定位在直径为数米的真空靶室中心,通过靶的位姿调整来使其保持在一个最优位置,因此靶准直器的位姿调整机构也将直接影响到打靶实验的精度。本文首先介绍了ICF靶准直器位姿调整机构的研究背景及意义,说明了ICF靶准直器及其调整机构的研究现状,并对实验室现有的ICF靶准直器做了简要介绍;接下来采用牛顿-欧拉法对设计的并联调整机构进行静力学分析;最后使用ANSYS Workbench对并联调整机构进行静态稳定性分析,确定变形引起的末端偏移量符合设计要求。     

基于近场静电纺丝的微／纳米结构直写技术

基于近场静电纺丝（舾）,研究了可用于柔性电子制造的微／纳米结构直写技术．构建了电极、收集板可协调运动的直写实验平台,分析了电纺丝参数对微／纳米结构直写过程的影响和直写参数间的匹配．通过缩短电纺丝距离实现对直写过程的控制,分别采用直径为25μm的实心探针针尖和内径为232μm的空心注射针尖作为电纺丝喷头,可有序地直写出直径为50—500nm的纳米纤维和线宽为1—8μm的微米结构．实验结果表明：微米结构线宽随收集板速度和PEO溶液浓度的变大而变大;直写工作电压随收集板运动速度的变大而减小,随电极至收集板距离的增加而变大．协调电极与收集板运动速度,平行直写微米结构间距可控制在100-180μm之间．     

基于近场波束形成法的声发射源定位研究

引入近场波束形成法处理声发射信号,研究在小区域布置少量传感器来实现声发射源定位的新方法.首先,利用板波理论进行声发射信号传播特性研究,对比了板中声发射信号与空气中声波传播的差异性,分析了波束形成法应用于声发射源定位的问题.并在板上进行断铅实验,验证了近场波束形成法进行声发射源定位的有效性.最后,在旋转机械碰摩模拟实验台上进行了碰摩实验,利用波束形成法进行碰摩声发射源定位,所提出的方法能有效地定位旋转机械初始碰摩位置.所得结果可为声发射源定位提供一种新途径.     

超声驻波悬浮特性仿真研究

为了研究驻波悬浮器参数对声悬浮能力大小的影响,使用多物理场有限元仿真软件COMSOL Multiphysics,对驻波声场进行仿真.通过改变谐振腔长度来影响驻波形成条件,得出驻波声压随谐振腔长度的变化关系;在特定超声频率及振幅下,通过控制超声换能器及反射面的尺寸,得到声压随悬浮器尺寸改变的曲线,从而获得最佳悬浮效果所需的模型参数;使用粒子追踪模块,仿真粒子在声场中的悬浮情况,并以可视化方式展示结果,反映出粒子悬浮位置与声压分布的关系.     

基于激光全息法的聚焦换能器近场声特性分析

研究了基于激光全息法的低频聚焦换能器近场测量方法,分析了利用激光全息法测量近声场特性时的基本原理,构建了一套实验测量系统。为验证该方法的可行性与准确性,利用激光测振仪对1个由25个压电小柱按5×5排布构成,频率为80kHz且表面带有自聚焦声透镜的聚焦换能器的声场进行实验测试和推算,获得了距离该换能器辐射凹面中心50mm处振动膜片上的声压幅度和相位分布,推算出此聚焦换能器声轴线上的声压分布与焦点处声压分布,同时使用COMSOL模型仿真与水听器测试,对比验证了激光全息近场测量后远场外推结果的高准确性。     

硅基底上热解法生长CNT薄膜的强流脉冲发射特性

采用酞菁铁高温热解方法在直径为5cm的硅基底上生长了定向CNT薄膜,并对其强流脉冲发射特性进行了表征.测试结果表明,在单脉冲条件下,当宏观场强为11.7V/μm时,发射脉冲电流的峰值约为109.4A;而在双脉冲模式下,当第一脉冲峰值宏观场强为8.6V/μm,第二脉冲峰值宏观场强为5.4V/μm时,第一脉冲和第二脉冲峰值...     

用Terfenol-D驱动的凹筒型换能器

文章介绍了自行研制的用稀土超磁致伸缩材料作为激励器的凹筒型换能器。这是一种新型弯张式发射换能器,具有频率低、功率大、尺寸小等可贵特性。采用Terfenol-D棒径向开槽结构可有效降低材料中的涡流损耗;采用钐钴稀土磁钢提供永久型偏置磁场,从而避免了常用的直流偏磁结构中因激励线圈过热损害而带来的不可靠因素;采用特殊工艺措施保证6根应力螺杆上施加足够且均匀的应力。研制的换能器最大外型尺寸为Φ130mm×250mm,谐振频率为990Hz,发射电流响应级为170dB(0dB=1μPa·m/A),声源级为190dB(0dB=1μPa at 1m)。在1kHz附近谐振点的等效电阻为13.6Ω。     

聚焦换能器离散发射阵列的辐射力计算

为了对医学超声中使用的聚焦换能器离散阵列的辐射力进行估算,文章中应用几何声学的方法,推导了聚焦换能器离散发射阵列超声作用于吸收靶上的辐射力公式,并分别给出了活塞阵元与聚焦阵元的辐射力公式。将该几何声学公式与瑞利积分结果比较显示,当声束倾斜角θi<30°,半孔径角α<15°时,误差不超过4.5%。这种结果说明了这种方法可以用来有效地估算离散阵列聚焦换能器的辐射力。     

悬浮分散固化法制备地质聚合物微球的研究

采用悬浮分散固化法,将矿渣、硅酸钠溶液和水制成的地质聚合物浆料滴入温度恒定的二甲基硅油中,分散固化制备地质聚合物微球。通过X射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、超高速智能粒度分析仪对地质聚合物微球进行分析表征,研究了二甲基硅油温度、分散机转速及二甲基硅油黏度对地质聚合物微球粒径和球形度的影响。结果表明,当保持硅油温度为50℃,直径小于150μm的微球含量最高。当分散机的转速为5000r/min时,1.0~10.0μm微球含量达到19.40%,10.0~30.8μm微球含量达到36.17%。当二甲基硅油黏度为1000mm²/s时,1.0~30.8μm微球含量达到48.19%。由XRD分析可知,制备的地质聚合物微球并没有改变矿渣的晶体结构,说明煅烧去除了微球表面和孔道中残留的二甲基硅油。从BET分析可知,微球具有较高的比表面积和介孔结构,为催化剂载体、吸附剂、水污染处理等方面的应用提供了活性位点,更有利于离子的扩散,具有很广泛的应用前景。     

用于水下金属探测成像的压电式微机械超声波换能器

为满足目前对水下金属、蛙人等检测的应用需要,设计一种用于水下金属探测成像的压电式微机械超声换能器。在该结构中,在顶部电极和下电级之间插入AlN层,用于发射和接收超声。当测试距离达到10 m以上就可以满足实际应用需求,而该换能器经过实验得出最远的测试距离为12.8 m,且在12.8 m处测试值与理论值误差仅为0.67 cm,完全可以达到实际检测需要。在一个标准大气压下,利用微系统激光分析仪MSA400对该传感器进行膜位移测量,其测量值为0.28μm,与理论结果误差为1%。并且详细介绍该传感器的工艺实现过程。利用该传感器实现二维水下超声成像,证明水下存在金属矩形物体。该实验有利于水下超声成像系统的建立。